掺铒光纤激光器因其在1.5 μm光谱范围内的辐射在现代光纤中的应用而受到特别关注。硅光纤对给定波长的辐射具有最高的透明度，在具有光谱信道压缩的现代光纤通信系统中，它被积极地用于电子通信中。由于光纤元件和器件的可用性和普及性，大多数先进的传感器系统也在1.5 μm光谱范围内工作。传统的掺铒光纤激光器通常采用掺杂水平较低的光纤，激光腔长可达数十米。在长腔激光器中，可以有效地激发大量的纵向模。因此，这种激光器具有相当宽的辐射光谱，由布拉格光栅的有效光谱宽度决定。研制具有少量纵模的激光器的在大多数情况下主要解决方案是大幅减少腔长，减少至5-10 cm，甚至在某些情况下小于3 cm，包括具有极窄激光带宽的单频激光器。这些激光器是各种主要的光纤器件和系统的重要元件，如相干数据传输系统、光学反射仪。

为了在短腔光纤激光器（包括分布反馈激光器）中提供足够水平的放大，需要增加掺杂元素的浓度。同时，由于稀土元素在硅玻璃中的溶解度有限，存在聚类问题，对光纤的放大性能有不利影响。此外，增加掺杂水平会形成大量的铒离子对（小簇），从而显著增加上转换过程的概率。上转换过程降低了激光系统的抽运效率，这是由于上铒能级加速衰减。因此，导致了激光产生阈值的增加以及向脉冲激光状态的过渡。在这种情况下，可以通过降低激光腔的温度或增加泵浦功率来实现从脉冲状态切换回连续波产生。反过来，由于近年来在掺铒光纤激光器中寻找被动调Q的方法受到了极大的关注，短腔重掺铒激光器的脉冲工作机制本身也很有趣。

最近，研究人员实现了掺铒分布反馈激光器[使用飞秒脉冲逐点技术创建的腔]。采用传统的布拉格光栅紫外刻录技术和加氢技术提高光纤光敏度，可使光纤增益降低2倍以上。逐点方法使在非光敏纤维中创建布拉格光栅成为可能，而无需在样品中加载氢分子。

实验中，研究人员利用表面等离子体化学气相沉积技术合成了一种光纤预制件，该技术允许玻璃中获得相对高浓度的氧化铒（0.3 mol.%）并具有最小的集群化。纤芯与铝共掺，进一步增加了铒离子在二氧化硅玻璃中的溶解度并减少了整体聚团。制备的光纤在976 nm、1490 nm和1530 nm的典型波长的吸收水平足够高，与氧化铒在玻璃中的浓度成正比，分别为80 dB/m、90 dB/m和180 dB/m（图1）。

实验中，光纤激光器基于经典的法布里-珀罗方案。光纤布拉格光栅直接嵌入到有源光纤芯中作为反射镜。光纤激光器采用聚焦飞秒谐波脉冲（532 nm）技术。在增益光纤80 mm截面的边缘各布置3 mm长的光纤光栅。部分反射光纤布拉格光栅和高反光纤布拉格光栅的反射系数分别为0.9和0.98。激光抽运由连续波激光器在波长为976 nm或1490 nm的有源光纤芯直接进行（图2）。采用功率计JDSU OLP-85控制引入有源光纤芯的泵浦率。为了提高激光抽运效率，实现更均匀的光纤抽运在976 nm抽运的情况下，在腔体的输出端使用额外的布拉格光栅作为反射器，将未吸收的能量返回到腔体中。

实验中，输出功率依赖于泵浦功率和波长以及外部条件（温度和散热器性能），如图3(a)和3(b)所示。激光的输出功率抽运波长976 nm和1490 nm测量在不同冷却条件：腔放置在液态氮（77 K），水（297 K）和空气环境（297 K）。一些纵模有效地研究了激光产生。利用分辨率为20 pm的横河AQ6370D光谱分析仪测量了三种最高强度纵模的总和。1490 nm处的最大泵浦功率受半导体光源技术参数的限制，达到120 mW。在室温下，无论激发波长如何，激光器都在调Q状态下工作。脉冲的频率和持续时间取决于光子的寿命而光子的寿命又由腔长决定；对布拉格光栅的反射率和离子对浓度进行了研究。当温度降低到液氮温度时，激光运转切换到连续波状态[图3(a)]，这是由于上转换速率下降。

在液氮温度（77 K）下，在1490 nm的阈值泵浦功率下，激光器在调Q状态下工作。脉冲幅值随向连续波产生状态的过渡具有很强的不均匀性[图3(c)中的红色曲线]。当泵浦功率超过7 mW时，会发生连续波激光运转。这种效应证实了脉冲和连续波产生机制之间切换的理论。另一个特征是放置在空气中的激光产生功率随泵浦功率增加的非线性依赖关系[在图3(a)中，红色曲线和紫色曲线分别对应于976 nm和1490 nm的泵浦功率]。这种特性可以通过输出光栅比高反光纤布拉格光栅更高的发热来解释，这可以导致更好的匹配布拉格光栅和产生效率的提高。

首先，1490 nm泵浦比976 nm泵浦有更高的效率和更低的产生阈值。激光器在室温（调Q生成）和液氮温度（连续波生成）下也显示出显著的效率和产生阈值差异[图3(a)和3(b)]。在1490 nm波长泵浦的情况下，产生效率显著高于在976 nm泵浦吸收的水平，尽管在腔输出处使用了额外的布拉格光栅，将976 nm未吸收的泵浦功率返回到腔内（图2）。这一特征主要是由于1490 nm泵浦时⁴H_13/2−⁴I_15/2激光器跃迁的共振激发条件而对于976 nm泵浦时，激发发生在⁴I_11/2能级，随后在⁴I_13/2能级弛豫。此外，1490 nm与976 nm的区别在于第二种情况下存在上转换过程，这也会影响阈值和产生效率。为了证实这一假设，研究人员测量了在不同泵浦功率下激光过程中，从有源光纤整个圆柱面的一个侧面点测量掺铒光纤激光腔的光发光强度[图4(a)]。随着泵浦光的增加，由于泵浦光波长为976 nm时的上转换，荧光强度呈二次关系增加。三个荧光最大值为522 nm、546 nm和656 nm[图4(b)]的波长分别对应于过渡段⁴H_11/2−⁴I_15/2、⁴IS_3/2−⁴I_15/2和⁴I_9/2−⁴I_15/2[图4(c)]。在这种情况下，双光子吸收过程通过中间能级⁴I_11/2进行，由 ⁴I_15/2−⁴I_11/2和⁴I_11/2−⁴F_7/2过渡概率的乘积决定。在1490 nm泵浦的情况下，这一过程是不存在的，⁴H_11/2能级的激发只有在三光子吸收时才可能。

研究人员对比分析了1490 nm和976 nm的激光脉冲工作机制[图5(A)和图5(b)]。研究发现，脉冲的持续时间和频率实际上与每个泵浦波长的散热器（液冷或空气被动冷却）的效率无关。与976 nm激发相比，1490 nm的共振激发导致脉冲频率的急剧增加和持续时间的缩短[图5(a)和5(b)]。考虑到理论模型，可以合理地假设脉冲的持续时间和重复频率由激光波长的上转换速率决定。脉冲的产生是由于激光过程本身；很明显，可以假设脉冲重复和持续时间主要取决于激光功率而不是泵浦波长。

图5(c)和图5(d)的实验数据充分证实了这一假设。研究表明，脉冲的频率和持续时间由激光功率决定，在有效热沉条件下（激光腔位于温度为297 K的水中），脉冲的频率和持续时间完全符合1490 nm和976 nm的泵浦情况。在双对数尺度上，关系被确定为线性的[图5(c)和5(d)]。在低散热的情况下，激光腔放置在空气中，研究人员观察到与线性相关的轻微偏差。这一特征可能与高反光纤布拉格光栅和部分反射光纤布拉格光栅的加热不均匀有关，之前在分析激光输出功率测量结果时已经指出了这一点[图3(a)]。⁴I_11/2→⁴I_13/2（仅976 nm泵浦）和⁴I_9/2→⁴I_13/2跃迁上的非辐射电子弛豫可以引起腔体发热。后一过程由激光波长上转换引起，在976 nm和1490 nm泵浦时都发生。

激光波长随着泵浦功率的增长而变化，这主要是由于光纤折射率对温度的依赖。这种依赖关系通过拟合三个参考温度点（77k、185k和297 K）得到，也与测量的在297-397 K温度范围内布拉格光栅外部加热的依赖关系一致。位于空气中的掺铒光纤激光器在室温（调Q）下随泵浦功率增长而升温，发现谐振腔温度随1490 nm泵浦功率增加而增长比976 nm泵浦更快[图6(b)]。如果不考虑在激发976 nm和1490 nm时产生效率的差异，那么在激光波长上转换引起的加热可能是主要原因。此外，研究人员对液体辅助散热器进行了腔内加热实验。在连续波（77 K，液氮）工作状态下没有激光腔加热而在调Q（297 K，水）工作状态下2 K加热，这也表明了在激光波长上转换过程对重掺铒激光器腔加热的作用。

综上所述，研究人员采用飞秒激光脉冲的逐点布拉格光栅刻字技术，用高掺铒光纤制备了一种激光器，详细研究了依赖于泵浦波长、温度和散热效率的激光产生特性。频率和脉冲持续时间被发现与泵浦波长(1470 nm或976 nm)无关并由激光功率本身确定。研究发现，激光器在高性能散热器（液冷）和低性能散热器（空气冷却）条件下的稳定运行被实现。此外，研究人员还分析了77 K连续产生和297 K调Q产生时腔温对泵浦功率和泵浦波长的依赖关系。